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广义相对论与量子宇宙学

arXiv:2403.02415 (gr-qc)
[提交于 2024年3月4日 (v1) ,最后修订 2024年9月17日 (此版本, v2)]

标题: 二进制黑洞轨道偏心率中超轻玻色子的特征

标题: Signatures of ultralight bosons in the orbital eccentricity of binary black holes

Authors:Mateja Bošković, Matthias Koschnitzke, Rafael A. Porto
摘要: 我们表明,在其宇宙历史中作为双星系统成员围绕黑洞的超轻粒子云可能会在质量分布和轨道偏心率上留下可测量的痕迹,这些痕迹可以通过未来的引力波探测器观测到。 值得注意的是,我们发现对于仅在孤立环境中形成的啁啾质量为${\cal M} \lesssim 10\,M_\odot$的非进动双星系统,引力波频率为$f_{\rm GW} \simeq 10^{-2}\,$Hz 时,偏心率出现大于预期的值,即$e\gtrsim 10^{-2}$,这将为一种质量在$[0.5,2.5] \times 10^{-12}\,$eV 范围内的新粒子提供诱人的证据。 偏心率的预测演化也可能显著影响带内相位演化和峰值频率。 这些结果是双黑洞动力学中超轻粒子玻色云的独特特征,这些特征将很容易被激光干涉空间天线以及未来的中频和分赫兹探测器所探测到。
摘要: We show that the existence of clouds of ultralight particles surrounding black holes during their cosmological history as members of a binary system can leave a measurable imprint on the distribution of masses and orbital eccentricities observable with future gravitational-wave detectors. Notably, we find that for nonprecessing binaries with chirp masses ${\cal M} \lesssim 10\,M_\odot$, formed exclusively in isolation, larger-than-expected values of the eccentricity, i.e. $e\gtrsim 10^{-2}$ at gravitational-wave frequencies $f_{\rm GW} \simeq 10^{-2}\,$Hz, would provide tantalizing evidence for a new particle of mass between $[0.5,2.5] \times 10^{-12}\,$eV in nature. The predicted evolution of the eccentricity can also drastically affect the in-band phase evolution and peak frequency. These results constitute unique signatures of boson clouds of ultralight particles in the dynamics of binary black holes, which will be readily accessible with the Laser Interferometer Space Antenna, as well as future mid-band and Deci-hertz detectors.
评论: v2:5页+11页附录和参考文献,11张图;更正了少量拼写错误;附录中增加了两个部分;发表在PRL上
主题: 广义相对论与量子宇宙学 (gr-qc) ; 宇宙学与非星系天体物理学 (astro-ph.CO); 高能天体物理现象 (astro-ph.HE); 高能物理 - 现象学 (hep-ph); 高能物理 - 理论 (hep-th)
引用方式: arXiv:2403.02415 [gr-qc]
  (或者 arXiv:2403.02415v2 [gr-qc] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2403.02415
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: DESY-24-030
相关 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.121401
链接到相关资源的 DOI

提交历史

来自: Matthias Koschnitzke [查看电子邮件]
[v1] 星期一, 2024 年 3 月 4 日 19:10:10 UTC (578 KB)
[v2] 星期二, 2024 年 9 月 17 日 15:19:48 UTC (673 KB)
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